一种用于三维封装芯片堆叠的互连材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于三维封装芯片堆叠的互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料主要用于三维封装高可靠性需求的领域，是一种具有高性能的新型互连材料，
【背景技术】
[0002]摩尔定律自被提出以来，一直被认为是指引电子器件技术的发展方向，但是随着单一芯片集成度的日益增加似乎使摩尔定律很难继续使用。而三维封装芯片堆叠技术的出现，则可以使摩尔定律的失效时间大幅度推后。三维封装，即将芯片在三维空间逐层堆叠，可以实现减小芯片体积和提升数据传输速度的双重作用。
[0003]芯片垂直堆叠，为了实现其特定的功能，首先需要对芯片垂直堆叠实现互连。而互连焊点的可靠性也直接决定了整个三维封装结构的使用寿命。对于整个三维封装而言，互连焊点数以百计，单一焊点的失效即会影响整体结构的可靠性。并且，三维封装结构复杂，不像二维的电子器件单一焊点失效可以通过重熔进行修复，因为三维结构焊点很难进行修复要求焊点必须具有较高的可靠性。
[0004]目前电子工业中，为了实现三维封装芯片的垂直堆叠，通过低熔点材料-高熔点材料在一定温度条件下通过固液互扩散形成金属间化合物焊点，金属间化合物的熔化温度较高，一般比低熔点材料高300°C左右，因此可以保证在进行二次芯片键合时，第一层芯片表面的金属间化合物焊点不会熔化，这样金属间化合物可以保证焊点在服役期间芯片的多次键合和后期的倒装焊。
[0005]但是金属间化合物有其自身的缺点:(I)由于金属间化合物是在固-液元素互扩散时，会发生体积收缩，在界面区域出现明显的空洞现象，空洞会成为焊点裂纹萌生源；(2)由于三维封装结构在服役期间因为材料线膨胀系数的失配，金属间化合物焊点容易成为应力集中区，当应力集中到一定程度焊点将会发生疲劳失效。金属间化合物焊点因为以上的两个缺点导致三维封装结构发生早期失效。因此如何提高三维封装结构可靠性成为电子封装领域的重要课题。通过研究新型的互连材料可以实现三维封装结构可靠性的显著提高，但是目前针对该方面的研究国际社会缺乏相关的报道。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种用于三维封装芯片堆叠的互连材料，利用亚微米Fe颗粒、碳纳米管和Sn三者耦合作用，通过三维封装键合可以构建“钢筋混凝土”结构焊点，可以显著提高三维封装结构的可靠性。服役期间具有高的使用寿命，能满足三维封装结构器件的高可靠性需求。主要解决以下关键性问题:优化亚微米Fe颗粒、碳纳米管和Sn的材料组分，得到高可靠性的互连材料。
[0007]本发明是以如下技术方案实现的:一种用于三维封装芯片堆叠的互连材料，其成分及质量百分比为:亚微米Fe颗粒含量为3?5%，碳纳米管为5?8%，其余为Sn。
[0008]本发明可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。
[0009]本发明优选采用的方法是:使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加亚微米Fe颗粒，最后添加碳纳米管，充分搅拌制备膏状含Fe颗粒和碳纳米管的互连材料。
[0010]采用膏状含Fe颗粒和碳纳米管的互连材料、精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在压力IMPa-1OMPa和温度235°C _260°C条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。
[0011]本发明的机理是:通过匹配合适的互连材料，制备含亚微米Fe颗粒、碳纳米管和Sn的膏状互连材料，通过键合工艺形成互连焊点实现芯片堆叠互连。对于三维封装芯片堆叠，例如Cu-Sn-Cu键合，形成Cu3Sn金属间化合物焊点，因为在金属间化合物形成过程中，元素发生互扩散，会形成体积收缩，致使焊点内部出现大量的空洞。另外在服役期间，因为材料线膨胀系数的失配，焊点极容易成为应力集中区。添加碳纳米管和亚微米Fe颗粒，Fe会与基体Sn反应，形成亚微米FeSn2颗粒，FeSn 2颗粒扮演“石子”角色，碳纳米管扮演“钢筋”角色，因此焊点内部结构会出现“钢筋混凝土”结构，当Sn-微米Fe-碳纳米管应用于三维封装芯片堆叠互连时，焊点内部形成“钢筋混凝土”结构，具有阻止焊点疲劳裂纹的扩展，抵抗焊点变形的作用，因此焊点在服役期间具有较高的使用寿命。考虑到钢筋混凝土结构焊点的性能变化，最大程度发挥“钢筋”和“石子”的作用，故而控制亚微米Fe颗粒含量为3?5%，碳纳米管为5?8%，其余为Sn。
[0012]与已有技术相比，本发明的有益效果在于:用三维封装芯片堆叠的互连材料形成的“钢筋混凝土”结构焊点具有高使用寿命以及抵抗变形的作用。
【附图说明】
[0013]图1是金属间化合物焊点和“钢筋混凝土”结构焊点在服役期间的使用寿命。
【具体实施方式】
[0014]下面结合实施例进一步说明本发明及效果。
[0015]下述10个实施例所使用的材料为:使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加亚微米Fe颗粒，最后添加碳纳米管，充分搅拌制备膏状含Fe颗粒和碳纳米管的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一定压力(IMPa-1OMPa)和温度(235°C -260°C )条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。本互连材料具有高可靠性，可用三维封装芯片堆叠。
[0016]实施例1
[0017]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 5%，碳纳米管5%，余量为Sn0
[0018]键合(235°C，5MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3600次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0019]实施例2
[0020]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 3%，碳纳米管8%，余量为Sn0
[0021]键合(255°C，1MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4450次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0022]实施例3
[0023]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 3%，碳纳米管5%，余量为Sn0
[0024]键合(235°C，5MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3400次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0025]实施例4
[0026]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 4%，碳纳米管8%，余量为Sn0
[0027]键合(245°C，1MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4600次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0028]实施例5
[0029]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 5%，碳纳米管8%，余量为Sn0
[0030]键合(255°C，1MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4800次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0031]实施例6
[0032]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 3%，碳纳米管5%，余量为Sn0
[0033]键合(255°C，6MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3500次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0034]实施例7
[0035]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 5%，碳纳米管8%，余量为Sn0
[0036]键合(245°C，9MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4650次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0037]实施例8
[0038]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 4%，碳纳米管5%，余量为Sn0
[0039]键合(250°C，6MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3550次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0040]实施例9
[0041]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 5%，碳纳米管6%，余量为Sn0
[0042]键合(255°C，1MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为3950次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0043]实施例10
[0044]用于三维封装芯片堆叠的互连材料成分为:亚微米Fe 5%，碳纳米管7%，余量为Sn0
[0045]键合(245°C，9MPa)后形成的“钢筋混凝土”结构焊点使用寿命为4100次热循环左右(考虑了试验误差)，膏状互连材料具有优良的可焊性。
[0046]实验例:在其他成分不变的情况下，金属间化合物焊点和“钢筋混凝土”结构焊点的使用寿命。
[0047]结论:添加亚微米Fe颗粒和碳纳米管可以显著提高金属间化合物焊点使用寿命，提高幅度为金属间化合物焊点的8?12倍。
【主权项】
1.一种用于三维封装芯片堆叠的互连材料，其特征在于:其成分及质量百分比为:亚微米Fe颗粒含量为3?5 %，碳纳米管为5?8 %，其余为Sn。2.—种权利要求1所述的用于三维封装芯片堆叠的互连材料的制备方法，其特征在于:可以采用生产复合金属材料的常规制备方法得到。3.—种权利要求1所述的用于三维封装芯片堆叠的互连材料的制备方法，其特征在于:使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加亚微米Fe颗粒，最后添加碳纳米管，充分搅拌制备成膏状含Fe颗粒和碳纳米管的互连材料。4.一种利用权利要求3所述方法得到的三维封装芯片堆叠的互连材料形成“钢筋混凝土”结构焊点的方法，其特征在于:使用膏状含Fe颗粒和碳纳米管的互连材料、采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在压力IMPa?1MPa和温度235°C?260°C条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。
【专利摘要】本发明公开了一种用于三维封装芯片堆叠的互连材料，属于芯片互连材料领域。该互连材料的亚微米Fe颗粒含量为3～5％，碳纳米管为5～8％，其余为Sn。使用市售的Sn粉、混合松香树脂、触变剂、稳定剂、活性辅助剂和活性剂并充分搅拌，然后添加亚微米Fe颗粒，最后添加碳纳米管，充分搅拌制备膏状含Fe颗粒和碳纳米管的互连材料，采用精密丝网印刷和回流焊工艺在芯片表面制备凸点，在一定压力(1MPa～10MPa)和温度(235℃～260℃)条件下实现芯片的垂直堆叠互连，形成“钢筋混凝土”结构焊点。本互连材料具有高可靠性，可用于三维封装芯片堆叠。
【IPC分类】H01L21/60, H01L23/532
【公开号】CN105161482
【申请号】CN201510367352
【发明人】张亮, 郭永环, 孙磊
【申请人】江苏师范大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年6月26日